1. Увод

Цинк телурид (ZnTe) је важан полупроводнички материјал II-VI групе са директном структуром забрањене зоне. На собној температури, његова забрањена зона је приближно 2,26 eV и налази широку примену у оптоелектронским уређајима, соларним ћелијама, детекторима зрачења и другим областима. Овај чланак ће пружити детаљан увод у различите процесе синтезе цинк телурида, укључујући реакције у чврстом стању, транспорт паре, методе засноване на растворима, епитаксију молекуларног снопа итд. Свака метода ће бити детаљно објашњена у смислу својих принципа, поступака, предности и мана, као и кључних разматрања.

2. Метода чврсте реакције за синтезу ZnTe

2.1 Принцип

Метода реакције у чврстом стању је најтрадиционалнији приступ за припрему цинк телурида, где цинк и телур високе чистоће реагују директно на високим температурама и формирају ZnTe:

Zn + Te → ZnTe

2.2 Детаљна процедура

2.2.1 Припрема сировина

1. Избор материјала: Као почетне материјале користити грануле цинка високе чистоће и грудве телура чистоће ≥99,999%.
2. Претходна обрада материјала:
   • Третман цинком: Прво потопити у разблажену хлороводоничну киселину (5%) на 1 минут да би се уклонили површински оксиди, испрати дејонизованом водом, испрати безводним етанолом и на крају осушити у вакуумској пећи на 60°C током 2 сата.
   • Третман телуријумом: Прво потопити у царску воду (HNO₃:HCl=1:3) на 30 секунди да би се уклонили површински оксиди, испрати дејонизованом водом док не постане неутрално, испрати безводним етанолом и на крају осушити у вакуумској пећи на 80°C током 3 сата.
3. Мерење: Сировине се мере у стехиометријском односу (Zn:Te=1:1). Узимајући у обзир могуће испаравање цинка на високим температурама, може се додати вишак од 2-3%.

2.2.2 Мешање материјала

1. Млевење и мешање: Ставите измерени цинк и телур у ахатну авану и млевите 30 минута у кутији за рукавице испуњеној аргоном док се равномерно не сједине.
2. Пелетирање: Ставите мешани прах у калуп и пресујте у пелете пречника 10-20 мм под притиском од 10-15 МПа.

2.2.3 Припрема реакционе посуде

1. Обрада кварцних цеви: Изаберите кварцне цеви високе чистоће (унутрашњи пречник 20-30 мм, дебљина зида 2-3 мм), прво их потопите у царску воду 24 сата, темељно исперите дејонизованом водом и осушите у рерни на 120°C.
2. Вакуумирање: Ставите пелете сировине у кварцну цев, повежите их са вакуумским системом и евакуишите до ≤10⁻³Па.
3. Заптивање: Затворити кварцну цев помоћу пламена водоника и кисеоника, осигуравајући дужину заптивања ≥50 мм ради херметичности.

2.2.4 Реакција на високој температури

1. Прва фаза загревања: Запечаћену кварцну цев поставити у цевну пећ и загревати на 400°C брзином од 2-3°C/мин, држећи 12 сати како би се омогућила почетна реакција између цинка и телурума.
2. Друга фаза загревања: Наставити загревање до 950-1050°C (испод тачке омекшавања кварца од 1100°C) брзином од 1-2°C/мин, држећи 24-48 сати.
3. Љуљање цеви: Током фазе високе температуре, нагните пећ на 45° свака 2 сата и љуљајте је неколико пута како бисте осигурали темељно мешање реактаната.
4. Хлађење: Након завршетка реакције, полако охладити до собне температуре брзином од 0,5-1°C/мин да би се спречило пуцање узорка услед термичког напрезања.

2.2.5 Обрада производа

1. Уклањање производа: Отворите кварцну цев у кутији за рукавице и уклоните производ реакције.
2. Млевење: Поново самељите производ у прах да бисте уклонили све нереаговане материјале.
3. Жарење: Жарите прах на 600°C у атмосфери аргона током 8 сати да бисте ублажили унутрашњи напон и побољшали кристалност.
4. Карактеризација: Извршити XRD, SEM, EDS итд., да би се потврдила чистоћа фазе и хемијски састав.

2.3 Оптимизација параметара процеса

1. Контрола температуре: Оптимална температура реакције је 1000±20°C. Ниже температуре могу довести до непотпуне реакције, док више температуре могу изазвати испаравање цинка.
2. Контрола времена: Време задржавања треба да буде ≥24 сата како би се осигурала потпуна реакција.
3. Брзина хлађења: Споро хлађење (0,5-1°C/мин) даје већа кристална зрна.

2.4 Анализа предности и недостатака

Предности:

• Једноставан процес, ниски захтеви за опремом
• Погодно за серијску производњу
• Висока чистоћа производа

Недостаци:

• Висока температура реакције, велика потрошња енергије
• Неуједначена расподела величине зрна
• Може да садржи мале количине нереагованих материјала

3. Метод транспорта паре за синтезу ZnTe

3.1 Принцип

Метода транспорта паре користи гас носач за транспорт пара реактаната у зону ниске температуре ради таложења, постижући усмерени раст ZnTe контролисањем температурних градијената. Јод се обично користи као транспортно средство:

ЗнТе(с) + И₂(г) ⇌ ЗнИ₂(г) + 1/2Те₂(г)

3.2 Детаљна процедура

3.2.1 Припрема сировина

1. Избор материјала: Користите ZnTe прах високе чистоће (чистоћа ≥99,999%) или стехиометријски помешане Zn и Te прахове.
2. Припрема транспортног средства: Кристали јода високе чистоће (чистоћа ≥99,99%), доза од 5-10 мг/цм³ запремине реакционе епрувете.
3. Обрада кварцним цевима: Исто као и метода реакције у чврстом стању, али су потребне дуже кварцне цеви (300-400 мм).

3.2.2 Пуњење цеви

1. Постављање материјала: Поставите ZnTe прах или смешу Zn+Te на један крај кварцне цеви.
2. Додавање јода: Додајте кристале јода у кварцну цев у кутији за рукавице.
3. Евакуација: Евакуисати до ≤10⁻³Па.
4. Заптивање: Заптити пламеном водоника и кисеоника, држећи цев хоризонтално.

3.2.3 Подешавање градијента температуре

1. Температура вруће зоне: Подесите на 850-900°C.
2. Температура хладне зоне: Подесите на 750-800°C.
3. Дужина градијентне зоне: приближно 100-150 мм.

3.2.4 Процес раста

1. Прва фаза: Загревање на 500°C брзином од 3°C/мин, држање 2 сата да би се омогућила почетна реакција између јода и сировина.
2. Друга фаза: Наставити загревање до подешене температуре, одржавати температурни градијент и узгајати 7-14 дана.
3. Хлађење: Након завршетка раста, охладити на собну температуру брзином од 1°C/мин.

3.2.5 Колекција производа

1. Отварање цеви: Отворите кварцну цев у прегради за рукавице.
2. Сакупљање: Сакупити монокристале ZnTe на хладном крају.
3. Чишћење: Ултразвучно очистите безводним етанолом 5 минута да бисте уклонили јод адсорбован на површини.

3.3 Контролне тачке процеса

1. Контрола количине јода: Концентрација јода утиче на брзину транспорта; оптимални опсег је 5-8 мг/цм³.
2. Температурни градијент: Одржавати градијент између 50-100°C.
3. Време раста: Типично 7-14 дана, у зависности од жељене величине кристала.

3.4 Анализа предности и недостатака

Предности:

• Могу се добити висококвалитетни монокристали
• Веће величине кристала
• Висока чистоћа

Недостаци:

• Дуги циклуси раста
• Високи захтеви за опрему
• Низак принос

4. Метода заснована на раствору за синтезу ZnTe наноматеријала

4.1 Принцип

Методе засноване на растворима контролишу реакције прекурсора у раствору за припрему ZnTe наночестица или наножица. Типична реакција је:

Zn²⁺ + HTe⁻ + OH⁻ → ZnTe + H₂O

4.2 Детаљна процедура

4.2.1 Припрема реагенса

1. Извор цинка: Цинк ацетат (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O), чистоћа ≥99,99%.
2. Извор телуријума: Телуријум-диоксид (TeO₂), чистоћа ≥99,99%.
3. Редукционо средство: натријум борохидрид (NaBH₄), чистоћа ≥98%.
4. Растварачи: Дејонизована вода, етилендиамин, етанол.
5. Сурфактант: Цетилтриметиламонијум бромид (CTAB).

4.2.2 Припрема прекурсора телура

1. Припрема раствора: Растворити 0,1 ммол TeO₂ у 20 мл дејонизоване воде.
2. Реакција редукције: Додати 0,5 ммол NaBH₄, мешати магнетном мешалицом 30 минута да би се добио раствор HTe⁻.
   ТеО₂ + 3БХ₄⁻ + 3Х₂О → ХТе⁻ + 3Б(ОХ)₃ + 3Х₂↑
3. Заштитна атмосфера: Одржавати проток азота свуда како би се спречила оксидација.

4.2.3 Синтеза ZnTe наночестица

1. Припрема раствора цинка: Растворити 0,1 ммол цинк ацетата у 30 мл етилендиамина.
2. Реакција мешања: Полако додајте раствор HTe⁻ у раствор цинка, реагујте на 80°C током 6 сати.
3. Центрифугирање: Након реакције, центрифугирајте на 10.000 о/мин током 10 минута да бисте сакупили производ.
4. Прање: Наизменично прање етанолом и дејонизованом водом три пута.
5. Сушење: Сушити у вакууму на 60°C током 6 сати.

4.2.4 Синтеза ZnTe наножица

1. Додавање шаблона: Додати 0,2 г ЦТАБ-а у раствор цинка.
2. Хидротермална реакција: Пребаците мешани раствор у аутоклав обложен тефлоном од 50 мл, реагујте на 180°C током 12 сати.
3. Накнадна обрада: Исто као и за наночестице.

4.3 Оптимизација параметара процеса

1. Контрола температуре: 80-90°C за наночестице, 180-200°C за наножице.
2. pH вредност: Одржавати између 9-11.
3. Време реакције: 4-6 сати за наночестице, 12-24 сата за наножице.

4.4 Анализа предности и недостатака

Предности:

• Реакција на ниској температури, уштеда енергије
• Контролисана морфологија и величина
• Погодно за производњу великих размера

Недостаци:

• Производи могу садржати нечистоће
• Захтева накнадну обраду
• Нижи квалитет кристала

5. Молекуларна епитаксија снопа (MBE) за припрему танких филмова ZnTe

5.1 Принцип

МБЕ узгаја танке филмове монокристала ZnTe усмеравањем молекуларних снопова Zn и Te на подлогу под условима ултрависоког вакуума, прецизно контролишући односе флукса снопа и температуру подлоге.

5.2 Детаљна процедура

5.2.1 Припрема система

1. Вакуумски систем: Основни вакуум ≤1×10⁻⁸Па.
2. Припрема извора:
   • Извор цинка: 6N цинк високе чистоће у BN лончићу.
   • Извор телурума: 6N телуријум високе чистоће у PBN лончићу.
3. Припрема подлоге:
   • Често коришћена GaAs(100) подлога.
   • Чишћење подлоге: Чишћење органским растварачима → нагризање киселином → испирање дејонизованом водом → сушење азотом.

5.2.2 Процес раста

1. Одгазивање подлоге: Пеците на 200°C током 1 сата да бисте уклонили површинске адсорбате.
2. Уклањање оксида: Загрејати на 580°C, држати 10 минута да се уклоне површински оксиди.
3. Раст пуферског слоја: Охладити на 300°C, узгајати 10nm ZnTe пуферски слој.
4. Главни раст:
   • Температура подлоге: 280-320°C.
   • Еквивалентни притисак цинковог снопа: 1×10⁻⁶Torr.
   • Еквивалентни притисак телуријумског снопа: 2×10⁻⁶Torr.
   • Однос V/III контролисан на 1,5-2,0.
   • Брзина раста: 0,5-1μm/h.
5. Жарење: Након раста, жари се на 250°C током 30 минута.

5.2.3 Праћење на лицу места

1. Праћење RHEED-а: Посматрање реконструкције површине и начина раста у реалном времену.
2. Масена спектрометрија: Праћење интензитета молекуларног снопа.
3. Инфрацрвена термометрија: Прецизна контрола температуре подлоге.

5.3 Контролне тачке процеса

1. Контрола температуре: Температура подлоге утиче на квалитет кристала и морфологију површине.
2. Однос флукса снопа: Однос Te/Zn утиче на типове и концентрације дефеката.
3. Стопа раста: Ниже стопе побољшавају квалитет кристала.

5.4 Анализа предности и недостатака

Предности:

• Прецизан састав и допинг контрола.
• Висококвалитетни монокристални филмови.
• Атомски равне површине су достижне.

Недостаци:

• Скупа опрема.
• Споре стопе раста.
• Захтева напредне оперативне вештине.

6. Друге методе синтезе

6.1 Хемијско таложење из парне фазе (CVD)

1. Прекурсори: диетилцинк (DEZn) и диизопропилтелурид (DIPTe).
2. Температура реакције: 400-500°C.
3. Носач гаса: азот или водоник високе чистоће.
4. Притисак: Атмосферски или низак притисак (10-100 Тор).

6.2 Термално испаравање

1. Изворни материјал: ZnTe прах високе чистоће.
2. Ниво вакуума: ≤1×10⁻⁴Па.
3. Температура испаравања: 1000-1100°C.
4. Температура подлоге: 200-300°C.

7. Закључак

Постоје различите методе за синтезу цинк телурида, свака са својим предностима и манама. Реакција у чврстом стању је погодна за припрему материјала у расутом стању, транспорт паре даје висококвалитетне монокристале, методе раствора су идеалне за наноматеријале, а МБЕ се користи за висококвалитетне танке филмове. Практичне примене треба да одаберу одговарајућу методу на основу захтева, уз строгу контролу параметара процеса како би се добили високоперформансни ZnTe материјали. Будући правци укључују синтезу на ниским температурама, контролу морфологије и оптимизацију процеса допирања.